数据库系统设计

1、中国农业科学院课程论文（2013-2014学年秋季学期）课程名称：数据库原理与应用 班级： 硕士九班 学号： 姓名： 任课教师： 赵瑞雪 数据库新技术介绍数据库技术是计算机科学的重要分支, 主要研究如何安全高效地管理大量、持久、共享的数据。数据库的研究始于20世纪60年代中期, 它的发展有着三大标志性事件。第一件大事, 1969年IBM 公司研制开发了基于层次模型的数据库管理系统的商品化软件Inform ationM anagement System, 即IMS系统, 是首例成功的数据库管理系统软件。第二件大事, 美国数据系统语言协会CODASYL( Conference On Da taSy

2、stem Language)下属的数据库任务组DBTG( Data Base Task Group)对数据库方法进行系统的研究和讨论后, 于20世纪60年代末到70年代初提出了若干报告。DBTG报告确定并建立了数据库系统的许多概念、方法和技术。DBTG所提议的方法是基于网状结构的, 它是数据库网状模型的基础和典型代表。第三件大事, 1970年IBM 公司San Jose研究实验室的研究员E. F. C odd博士发表了题为 大型共享数据库数据的关系模型!的论文, 提出数据库的关系模型, 从而开创了数据库关系方法和关系数据理论的研究领域, 为关系数据库技术奠定了理论基础, E. F. Codd因

3、此在1981 年获得ACM 图录奖。20世纪80年代几乎所有新开发的系统都是关系系统。随着计算机系统硬件、Internet和W eb技术的发展, 数据库系统所管理的数据格式、数据处理方法以及应用环境不断变化, 同时人工智能、多媒体技术和其他学科技术的发展, 数据库技术面临着前所未有的挑战。1 几种数据库新技术传统的关系数据库系统具有数据结构化、数据冗余度小、数据共享度高、数据和程序之间具有较高的独立性、设计时面向数据模型对象、通过DBMS进行数据安全性和完整性的控制、易扩充、易编制应用程序等优点。然而, 由于其采用面向机器的语法数据模型, 并且理解、存储、处理的数据类型简单固定, 数据库结构与

4、行为分离, 数据操纵语言与通用程序设计语言之间存在阻抗失配现象。另外, 传统关系数据库被动响应和重做用户要求的事情, 存储管理的对象有限, 只支持简单的事务处理, 对长事务的响应较慢, 而且在长事务发生故障时恢复也比较困难。然而, 新的应用领域要求数据库系统支持存储复杂对象, 支持复杂的数据类型, 支持常驻内存的对象管理以及支持对大量对象的存取和计算, 能够实现程序设计语言和数据库语言无缝集成以及支持长事务和嵌套事务的处理等功能。传统数据库的这些局限性使其不能适应新的要求, 这就决定了当前数据库的研究方向和未来的发展方向, 因而也产生了新一代数据库。1. 1面向对象数据库系统面向对象数据库系统

5、( OODBS) 是数据库技术与面向对象程序设计方法结合的产物。关系数据库系统的数据模型和系统在设计和实现复杂的数据应用时往往不能满足应用要求。例如, 设计和实现CAD /CAM 数据库, 科学实验数据库、电信数据库、地理信息系统数据库及多媒体数据库。这些新的应用与过去的商业应用不同, 对象结构复杂, 事务持续时间长, 需要存储图像或大文本项等新数据类型, 需要定义非标准的特殊应用操作。面向对象的方法为处理这些应用需求提供了很大灵活性, 使人们摆脱了传统数据库对数据类型和查询语言的限制。面向对象数据库系统既是一个DBMS, 又是一个面向对象系统, 因而既有持久性、辅存管理、数据共享、数据可靠性

6、、查询处理、模式修改等DBMS 的特性, 又具有类型/类、封装性/数据抽象、继承性、复载/滞后联编、计算机完备性、对象标识、复合对象和可扩充等特性。面向对象数据库系统以对象为基本元素, 以 类!和 继承!表达事务间的共性和它们之间的内在关系。面向对象数据库系统将数据作为能自动重新得到和共享的对象存储。目前面向对象数据库比较有影响力的新技术有: 数据模型中嵌套了更多的语义, 允许定义任意复杂的数据模型; 提供对象操作, 可以实现实体的对象化, 并根据对象的逻辑关系将它们在物理上聚集存储, 以减少访问时间; 通过创建子类实现复杂的完整性约束, 而继承能力方便数据的开发和维护; 具有处理不确定型和模

7、糊对象的能力; OODB 提出了许多新的事务模型, 如开放嵌套事务模型、工程设计数据库模型、多重提交点模型等; 通过对象高速缓存、定义与性能相关的特征等技术, 使OODB执行多媒体的复杂应用时具有较高的性能。面向对象数据库系统的研究方法有两种。一种是建立完全的面向对象数据库系统, 这种方法是开发全新的数据模型, 设计相应的语言及相应的OODBM S核心。这种数据库系统可以处理多媒体等复杂数据类型, 在应用系统开发速度和维护等方面有极大的优越性。但这种纯粹的面向对象数据库系统并不支持SQL语言, 在通用性方面失去了优势, 其应用领域受到很大的局限。第二种方法是对传统的关系数据库加以扩展, 增加面

8、向对象特性, 建立对象关系数据库管理系统, 这种系统既支持已被广泛使用的SQL, 具有通用性,又支持复杂对象和复杂对象行为。1. 2 主动数据库系统主动数据库是相对于传统数据库的被动性而言的。在许多应用领域, 如计算机集成制造系统、管理信息系统、办公自动化系统中常常希望数据库系统在紧急情况下能根据数据库的当前状态, 主动适时地做出反应, 执行某些动作, 向用户提供有关信息。为满足这些要求, 将传统数据库与人工智能技术和面向对象技术结合提出了主动数据库。主动数据库通常采用在传统数据库系统中嵌入事件 条件 动作规则, 相当于系统提供了一个 自动监测!机构, 主动地不时地检查这些规则中包含的事件是否

9、已发生, 一旦事件被发现,就主动触发执行相应的动作。主动数据库主要解决的问题有知识模型、执行模型、条件检测、事务调度、体系结构、系统效率。系统实现的关键技术是条件检测, 条件可以是动态条件、多重条件、交叉条件。目前已取得的成果有: 多重条件同时求值算法; 求值过程中, 中间结果的生成和维护方法; 递增求值方法; 求值时利用规则动作部分知识; 代价模型和启发式方法。欧美一些国家的研究机构、大学从20世纪80年代开始对主动数据库进行了专门研究, 称之为 带规则的数据库系统。1. 3模糊数据库系统现实世界中, 确切的值只是特例, 而模糊的值却更一般、更自然。研究模糊数据和模糊数据库有着重要的理论价值

10、和现实意义。模糊数据库中, 数据的模糊性是模糊数据库的第一公共属性, 数据间的联系的模糊性为模糊数据库的第二属性, 同样在约束条件、数据操作、查询语言、用户视图与外模式、数据冗余、数据间函数相关性等方面都具有模糊性。模糊数据模型是研究模糊数据库的基础, 模糊数据模型有模糊关系数据模型、模糊网状数据模型、模糊层次数据模型、模糊E R 模型、面向对象的模糊数据模型、模糊逻辑模型和模糊知识模型等。由于模糊数据模型和模糊数据库语言比精确时要复杂得多, 因此在实现模糊数据库管理系统时, 无论功能上、逻辑结构上、物理组织上、存储形式上都相应复杂得多。模糊数据库的理论和技术的研究仍处于发展阶段, 但在模式识

11、别、过程控制、案情侦破、医疗诊断、工程设计、专家系统等领域得到了较好的应用, 具有广阔的前景。1. 4 多媒体数据库系统传统的数据库只能提供文字、数值数据的信息服务, 而多媒体数据库则能提供图像、文本、声音等信息的全方位服务。多媒体数据库的建立与利用有许多关键技术, 而计算机硬件与网络环境、数据压缩、数据模型方法是主要技术条件。多媒体数据库应具备的功能有: 能表示和理解多媒体数据,能刻画、管理和表现各种媒体数据的特性和相互关系; 具备物理数据独立性和媒体数据独立性, 媒体类型可扩展; 提供更为灵活的模式定义和修改功能, 支持模式进化与演变, 具备某些长事务处理的能力; 提供多媒体访问的各种手段

12、, 近似性查询, 混合方式访问等。在网络时代, 多媒体数据库的应用日益广泛, 虚拟大学和远程教育、电子博物馆与艺术画廊、数字图书馆、电子商务都是多媒体数据库的实际应用。网络多媒体数据库是数据库主要发展方向之一。2数据库技术发展方向 数据库是数据管理的手段和技术, 当前的主流数据库是关系数据库, 它以关系代数为理论基础, 能解决静态的确定的事务对象的有关数据。然而, 随着网络时代的到来, 传统数据库技术受到各方面的挑战: ( 1) 信息的本质和来源不断变化。Inte rnet、W eb、自然科学和电子商务是信息和信息处理的巨大源泉, 微型传感技术的使用使得大部分物体可以实时上报其位置和状态, 这

13、又是一个巨大的信息源。( 2) 受Interne t的驱动, 企业与其供应商和客户的交流需要安全和信息集成的有力工具。( 3)在自然科学领域, 特别是物理科学、生物科学、保健科学和工程领域产生了大量复杂的数据集,需要比现有的数据库产品更高级的数据库的支持, 同时还需要对诸如时间序列、图像分析、网格计算、地理信息等此类有序数据进行存储和查询, 需要世界范围内数据网格的集成。( 4) 计算机硬件的发展, 如磁盘和RAM 容量的不断增大,Cache规模和层次的提高, 使传统的DBM S的相关技术面临巨大变化。新的应用、新技术的发展推动着数据库技术的发展。未来数据库技术将在深度和广度上得到发展。2.

14、1 Web信息集成随着Internet和W b技术的迅速发展, 网络已成为一种重要的信息传播和交换的手段, 尤其是在Web上, 有着丰富的数据来源, 如果能把Web上的有用数据利用起来, Web将成为一个全球性的信息集成系统, 由全世界共享。信息集成系统的方法有两种: 数据仓库方法和W rapper /Mediator 方法。数据仓库法按照需要的全局模式从各数据源抽取并转换数据, 存储在数据仓库中, 用户的查询是对数据仓库中的数据进行查询。此方法适用于数据源数目不多的单个企业。对跨企业应用, 数据源的数据抽取和转化复杂得多, 数据仓库的方法不适宜。目前流行的建立信息集成系统的方法是W rapp

15、er /Mediator方法, 该方法并不将各数据源的数据集中存放, 而是通过W rapper /Mediator结构满足上层集成应用的需求。此方法解决了数据更新的问题, 弥补了数据仓库方法的不足。但是, 由于各个数据源的包装器是分别建立的, 因此, Web数据源的包装器建立又给研究提出了挑战。影响Web数据源集成的主要问题是异构。异构表现在三个方面: ( 1)模式异构。模式异构表现在不同的数据源具有不同的存在形式, 有的以数据库的形式存在, 有的以文件形式存在, 有的以HTM L的形式存在。即使某些数据源以数据库的形式存在, 它们的数据模型、存储结构及其所依赖的数据库管理系统也可能大不一样。

16、具有相同数据模型的数据源所依赖的数据库管理系统也不尽相同。( 2 )数据异构。数据异构表现在不同的数据源具有不同的数据类型, 有的数据源可能仅包含数字和字符之类的简单数据, 有的则可能包含多媒体数据, 有的可能包含时间序列等复杂数据。( 3) 语义异构。语义异构表现在相同的数据形式表示不同的语义或同一个语义由不同形式的数据表示。W eb信息集成研究的问题还有: 如何模型化源数据内容和用户查询; 当数据源的查询能力受限时, 如何处理查询和进行优化。从体系结构实现的角度出发, 信息集成系统技术经历了三个阶段: 单个的联邦系统、基于组件的分布式集成系统和基于Web Serv ice的信息集成系统。目

17、前, 基于WebService的信息集成方案是构建Web数据集成系统较为理想的体系结构。2. 2 嵌入式移动数据库技术数据库技术一直随着计算的发展而不断进步, 随着移动计算时代的到来, 嵌入式操作系统对移动数据库系统的需求为数据库技术开辟了新的发展空间。嵌入式移动数据库技术目前已经从研究领域走向广泛的应用领域。随着智能移动终端的普及, 人们对移动数据实时处理和管理要求的不断提高, 嵌入式移动数据库越来越体现出其优越性, 从而被学术界和应用界所重视。移动数据库是指支持移动计算环境的分布式数据库。移动数据库系统通常应用在掌上电脑、PDA、车载设备、移动电话等嵌入式设备中, 又称嵌入式移动数据库系统

18、。嵌放式移动数据库涉及数据库技术、分布式计算技术、移动通信技术等多个学科领域。嵌入式移动数据库在实际应用中普遍采用乐观复制法保持数据一致性; 采用新的事务管理策略和算法保证高效的事务处理: 根据网络连接情况确定事务处理的优先级; 根据操作时间确定事务是否迁移; 根据数据量的大小确定事务的执行过程; 事务处理过程中, 网络断接处理时采用服务器发现机制或客户端声明机制; 事务移动过程中的用户位置属性的实时更新; 完善的日志记录策略。为保证数据的安全性, 采取的主要措施有: 第一, 对移动终端进行认证, 防止非法终端的欺骗性接入; 第二, 对无线通信进行加密, 防止数据信息泄漏; 第三, 对下载的数

19、据副本加密存储,以防移动终端物理丢失后的数据泄密。移动数据库管理系统是一种动态分布式数据库管理系统, 嵌入式移动数据库管理系统在移动计算的环境下应用在嵌入式操作系统之上, 它必须考虑的设计原则有: ( 1)微内核结构。( 2)对标准SQL的支持; ( 3)自动维护事务的完整性、原子性等特性, 支持实体完整性和引用完整性。( 4)具有完善的数据同步机制。( 5)支持串行通信、TCP/ IP、红外传输、蓝牙等多种连接协议; ( 6)具有自动恢复功能, 保证用户数据的安全可靠; ( 7)支持Windows CEPalmOS等多种嵌入式操作系统。另外, 设计时还应考虑移动设备的计算能力小、存储资源少、

20、带宽有限及Flash存储上写操作速度慢等特性。3 总结数据库技术在30年的发展中, 取得了巨大的成就, 奠定了它在当今信息社会中的核心技术地位。由于应用领域的扩大, 新技术的出现与发展, 数据库技术又面临着巨大的挑战。当前数据库技术的发展呈现出与多种学科知识相结合的趋势, 凡是有数据产生的领域就可能需要数据库技术的支持, 它们结合后即刻出现一种新的数据库成员而壮大数据库家族。在今后, 信息集成、微型数据库、数据流管理、XM L数据管理、网格计算、数据库统一的体系结构、数据仓库、数据挖掘等数据库技术有待于更深入的研究。基于SQL Server的高校图书馆数据库设计与实现一：背景介绍高校图书馆作为

21、校内重要的教学辅助机构，是校内的文献情报中心，承担着为教育、学习、科研提供资料信息服务的职能。如今的高校图书馆，不仅拥有大量的馆藏纸质图书文献，还有数量庞大并且不断增加的数字资源，以及日益丰富的多媒体影音资料等信息资源。假如将触手可及的文本图书视作有形资源，将数字文献信息视作无形资源，那么如何整合和充分利用校内的有形和无形资源，就成为迫切需要解决的技术性问题。随着互联网的广泛运用，高校图书馆的馆藏文献情报管理逐步走向计算机化、数字化、网络化。这就需要对文献信息进行开发，把文献中那些处于无序、凌乱、繁杂的实体信息和隐形信息加以整理排序，通过数据库管理系统，设计并实现一个数据结构合理、适用性较强的

22、高校图书馆数据库。二：需求分析：J.Martin给数据库下了一个比较完整的定义：数据库是存储在一起的相关数据的集合，这些数据是结构化的，无有害的或不必要的冗余，并为多种应用服务；数据的存储独立于使用它的程序；对数据库插入新数据，修改和检索原有数据均能按一种公用的和可控制的方式进行。高校图书馆数据库的主要特色包括：(1)实现高校图书馆文献信息的集中控制：利用图书馆数据库可对校内文献数据进行集中控制和管理，并通过数据模型展现各种文献之间的关联，提高各种信息之间的关联度和延展性，确保了信息的安全和可靠。如今的高校普遍倡导学科交叉，鼓励各专业交流。在学科共融互通的背景下，高校图书馆数据库有利于实现各门

23、类专业的资料情报的传递和延展。(2)实现高校图书馆数据共享：所有的用户都可以同时存取数据库中的文献数据，也包括用户可以用各种方式通过接口使用图书馆数据库，并提供信息共享。校内读者受众丰富，既有在册学生、教师、职工，还有以各种形式在校内参加继续教育的校外人员等。高校图书馆数据库的设计，就是为了满足各种类型的读者，可以在共通有无的广阔数据交换平台上同时、同质和等效地实现情报获取。(3)减少高校文献数据的冗余度：数据库实现了信息共享，从而减少了大量重复的文献信息录入，减少了信息冗余，实现了文献信息的精简一致。针对单个专业方面的重复性文献，图书馆数据库的自动检索和识别功能可以祛繁化简，确保各学科文献信

24、息凝练有力。(4)保证高校文献信息的独立性：图书馆用户在使用数据库的过程中，分散性的操作并不会影响到文献信息的总量和排序。在各专业文献数据被提取的过程中，保障了文献总量不受删减或增加，保持了数据的既有次序。(5)及时修复高校文献数据故障：可以及时发现和尽快修复文献数据错误，从而防止文献信息被破坏。由此可见，建立并完善数据库，是实现高校图书馆业务数字化、提高文献信息利用率的科学性技术手段。三：概念结构设计：E- R图概念设计是数据库设计的初始阶段。在设计数据库时，首先要识别实体与实体之间的关系，并且将实体与联系在数据库表中用表及主外键约束表示出来。创建实体联系图 （Entity Relation

25、ship Diagram），简称E- R图，建立图书馆E- R图，可以更有效地在概念模式下设计数据库，更形象地识别读者、管理员和图书文献之间的关系。创建E- R图。 ID 姓名 角色用户ID管理 管理员 管理 科目所属 院系姓名 用户信息 专业名称 科目ID性别 身份证号 包括联系号码 图书ID 用户ID 书名 图书ID 作者 借出时间 分类号 归还时间 借阅信息 生成 图书信息 出版社 出版时间 价格 录入时间2.2 数据库逻辑结构高校图书馆数据库主要面向学生和教职工提供文献情报管理服务。而高校图书馆本身的特点就是数据量大，所以在建立高校图书馆数据库时，必须考虑到海量数据的存放问题。在建立数

26、据库的同时，构建出符合高校特色的数据模型，设计了系统用户信息表、图书信息表、图书借阅信息表、图书类型信息表、角色表等5个表。系统用户信息数据项包括用户唯一标识、用户名、密码、读者性别、所在院系、家庭住址、联系电话、出生年月、角色标识，详细指标如表1所示。图书信息数据项包括图书唯一标识、图书名称、所属分类号、作者、出版社、价格、出版日期、摘要信息、关键词、图书状态、登记日期，详细指标如表2所示。图书借阅信息数据项包括系统自动生成、读者唯一标识、图书唯一标识、借书日期、还书日期、图书状态、超出天数、罚款金额，详细指标如表3所示。图书类型数据项包括系统自动生成、图书类型名称、图书类型描述，详细指标如

27、表4所示，角色数据项详细指标如表所示。表一User表（系统用户信息表）字段名称数据类型说明userIDnvarchar(50)用户唯一标识userNamenvarchar(50)用户名userPasswordnvarchar(50)密码userGenderbit读者性别userDepartmentnvarchar(50)所在院系userAddressnvarchar(50)家庭住址userPhonenvarchar(50)联系电话userBirthdatedatetime出生年月roleIDint角色标识表二 Book表（图书信息表）字段名称数据类型说明bookIDnvarchar(50) 图

28、书唯一标识bookNamenvarchar(50)图书名称bookTypeIDint所属分类号authornvarchar(50)作者publishnvarchar(50)出版社pricemoney价格publishDatedatetime出版日期abstractntext摘要信息keywordnvarchar(50)关键词bookStatusint图书状态registeDatedatetime登记日期表三 BorrowRec表(图书借阅信息表)字段名称数据类型说明borrowRecIDint系统自动生成readerIDnvarchar(50)读者唯一标识bookIDnvarchar(50)图

29、书唯一标识beginDatedatetime借书日期endDatedatetime还书日期borrowStatusbit图书的状态:是否借出overdueDaysdatetime超出天数penaltymoney罚款金额表四 BookType表(图书类型信息表)字段名称数据类型说明bookTypeIDint系统自动生成bookTypeNamnvarchar(50)图书类型名称bookTypeDescnvarchar(50)图书类型描述表五Role表(角色表)字段名称数据类型说明roleIDint系统自动生成roleNamenvarchar(50)角色名称2.3 SQL存储过程结构化查询语言Structured Query Language(SQL)是专为数据库而建立的操作命令集，是一种功能齐全的数据库语言。SQL主要分成两部分：DDL （Dat